新型静水压强实验设备研制及教学改革实践

1、新型静水压强实验设备研制及教学改革实践摘 要：经全面调研，自主研制了新型静水压强实验设备，既克服了旧式设备的弊端，又增设了新的实验方法，拓展 了新的实验教学内容。从实验方法、实验教学内容、实验教学方式3个方面实现了全面的改革创新,并积极开展开 放式实验项目，全方位提升了实验教学质量,有助于高校培养具有创新型、研究型全面发展的高素质人才。关键词：静水压强&设备研制&教学改革&开放式实验Development of ne5type hydrostatic pressure experimentalequipment and teaching reform practiceAbstract: Aft

2、er an overal l investigation， a new hydrostatic pressure experimental equipment has been developed ndependently，which not only overcomes the drawbacks of the old equipment， but a l so adds new experimental methods and expands new experimental teaching contents. The comprehensive reform and innovatio

3、n have been realized in the aspects of experimental methods， experimental teaching contents and experimental teaching methods. Open experimental projects have been actively carried out to improve the qualty of exper+mental teachng +n an all5round way，whch +s conducve to the tranng of hgh5qualty tale

4、nts wth +nnovatve and research5orented comprehensve qualty +n colleges and unverstes.流体力学课程相对抽象复杂，因此实验教学就 成为该门课程学习的重要辅助手段，对加深学生理解 复杂理论知识、提升实践能力都起着至关重要的作 用，甚至影响学生就业后对专业知识的灵活运用+流体力学课程相对抽象复杂，因此实验教学就 成为该门课程学习的重要辅助手段，对加深学生理解 复杂理论知识、提升实践能力都起着至关重要的作 用，甚至影响学生就业后对专业知识的灵活运用+3, $ 我校现有的静水压强实验设备使用太久，老化严重，问 题较多，难

5、以保证实验教学的质量，更难以满足当前实 验教学改革和发展的要求$调研表明，我国大部分高 校实验室的静水压强实验设备，在教学实施中也存在与我校类似的问题也。近年来，国内各相关院校也在 不断进行该类实验设备的研制和创新+5，旨在通过研 制新的实验设备来促进现有实验教学的改革，使实验 教学成为理论教学的有机组成部分+句。实验仪器设备 作为教学、科研活动的硬件，对实验教学的影响至关重 要逍，又是衡量高校综合实力的一项重要指标+8$市 面上销售的同类设备无法全方位改善这一现状，因此 本文研制了一套新型静水压强实验设备，既满足实验 教学的基本要求，又增设新的实验方法与实验内容，有 力地促进了实验教学改革$

6、1研制目标自主研制新型实验设备应解决现有实验设备 的问题和弊端，能满足实验教学基本要求。新型实验设 备的装置结构设计为紧凑的双面对称可移动式,方便实 验室空间的统筹管理，节约实验室空间，并且单台设备 也可支撑双倍的实验人数，设备利用率有效提升；装置材质上，选用有机玻璃，硅胶等塑料制品，从源头上避免 了老化生锈、水体变色、静水水质污染现象，提高设备使 用寿命，保证实验教学的顺利开展，能解决旧式传统静 水压强实验设备的弊端，操作方便，稳定准确。增设新的实验方法和新的实验教学内容，促进 实验教学的改革与创新。实现实验功能多样化，一台设 备不仅可以完成大纲要求的基本实验内容，能拓展新的 实验测试方法，

7、延伸新的实验内容，还能设置新的开放 式实验项目供学生选修，最大化的发挥实验设备的 潜能。2基本原理2.1流体静力学基本方程在重力作用下，静力学基本方程的表达式为PZ + - ( C(!)式中:Z为单位重量液体相对于基准面所具有的位能! m； :为单位重量液体所具有的压能，m,称为压强水 头C为常数；Z* :为称测压管水头，m。静止液体中任意点的静压强的计算式为P ( P + y(Z Z) ( P +(2)式中：Z。为静止液体自由表面位置高度,m；，为液体 容重，N /m3； P为液体内任一点静水压强,N/m2； Po 为液体表面压强，N/m2；$1为液体内任一点到液体表 面的垂直距离,m#任一

8、点的静水压强由两部分组成，一部分是液体 表面的气体压强Po ,另一部分是液体自重产生的压应 力5 #2. 2连通器原理连通器中盛有多种液体(水或油)时，满足静止、同 种、连续这3个条件的水平面是等压面，也就是说，在 底部相连的两个容器(如最典型的U形管)里装入液 体，其液面由于大气压相等而处于同一水平面上，这 就是著名的“连通器原理3设备结构与功能3.1设备结构本文研制的新型静水压强实验设备结构见图!, 包括有机玻璃结构主体和不锈钢活动支架两大部分# 有机玻璃结构主体部分为双面对称式，前后两面所有 结构均相同，均包括密闭水箱、活动水箱及其滑动轨 道、两支单管压力计、两支U形管压力计、各个硅胶连

9、 接管件、刻度尺#不锈钢活动支架是设备结构的下半 部分，支架上端承载双面有机玻璃主体结构，台面下由 矩形不锈钢四角支撑，四角分别设置了可调节万向轮, 方便仪器的移动和统筹归置#1刻度尺；2一三通连接部件；3测压管固定体系；4-硅胶连接管；5一有机玻璃腹板；6-压力计连通阀；7一密闭水箱；8一进水口；9气阀门；3一活动水箱；11一上下调节旋即；12上下滑动轨道；13一活动水箱下方连接开孔；14-0定制钉；15胡钉固定板；16装置固定板；17-支架台面；”一加厚固定支撑脚板；19-底部支架；20-万向轮；21-1号U形管压力计；222号U形管压力计;231号单管压力计；242号单管压力计；25一水

10、箱侧壁上侧开孔；26水箱侧壁下侧开孔；27一水箱液位刻度尺；28一排水口阀门；29一密闭水箱连接开孔；30一硅腴管；31一通气口。图1设备结构示意图3.2设备功能可实现密闭水箱上方气体空间不同的实验 工况打开密闭水箱上端的通气阀，观看各测压连通管 内液面是否齐平，如不齐则平，检查各管内是否阻塞! 并加以疏通；关紧密闭水箱上端的通气阀，抬高活动水 箱至一定的高度，可以实现密闭水箱液体表面压力P ：；（大气压力）的工况；再次打开密闭水箱上端的通 气阀，调整活动水箱至滑轨中部位置，可以实现密闭水 箱液体表面压力Po =P的工况，此时再次观察各测 压连通管液面应齐平;关闭排气阀，并将活动水箱下降 至一

11、定距离，可以实现密闭水箱液体表面压力Po & P;的工况用U形管压力计测定静水中任一点K的压 力或真空值在正压或负压的工况下，通过选取任一 U形管压 力计观测记录，得出密闭水箱上部空间的正压（负压） 值，根据公式（2）即可计算出静水中任一点K压力值 或真空值：Pk （ P + ,1k（3）其中，Pk为静水中任一点K的压力值；1）为静水中任 一点K距离液面的高度值3. 2. 3 用U形管压力计验证流体静力学基本方程设备在正压、负压的情况下，测定出静水中任一点 的压力和真空值，在密闭水箱中的静水中任意选取两 点，通过相应的测试，并由公式（1）得到任意两点对应 的测压管水头值，若任意两点的测压管水头

12、值计算结 果近似相等，Y1 +旦（Z2 +旦（C,可验证流体静 力学基本方程用单管压力计验证流体静力学基本方程在不同实验工况下，液面稳定时可直观地观察 1号单管压力计和2号单管压力计读数及其在实验过 程中的变化情况（即在任何实验工况下，都可直观看到 两支单管压力计读数保持相等，测压管水头值保持不 变），由于选点的任意性，即可证明在静止流体中各点 的测压管水头均相等，也即验证了流体静力学基本方 程，这种实验验证方法是现阶段市面其他实验设备所 没有的考虑提供了测定未知液体重率或密度的方法研制的新型实验设备有两支U形管压力计，一支 作对比管，管内注入标准对比液体水，一支做待测管! 管内注入待测未知液

13、体（酒精、煤油或其他未知液体）% U形管压力计的右侧均与密闭水箱的液面上方空间 相连接，给定一个实验工况，例如正压的情况下，两支 U形管压力计的左右两侧产生了压力差，由于液面上 方空间的压力固定不变，基于此等压关系，两支U形 管压力计的压力可形成如下关系式：，水（1左1 1右1）=,未知（1左2 右2）（4）-水 2（1左1 1右1）（-未知2（1 左2 1右2）（5）式中，水和-水分别为水的重率和密度1左1和1右1分别 为1号标准液体U形管压力计左右两侧的高度，未知 和-未知分别为未知液体的重率和密度1左2和1右2分别 为2号待测液体U形管压力计左右两侧的高度水的各项参数已知，测压管的高度1

14、也可通过刻 度尺测量到，这样就可以测得未知液体的重率，未知或 密度-未知，并由此鉴别未知液体的种类4教学改革实践（1）实验方法上进行了改革创新现有传统的静 水压强实验设备，只能用一种测量方法完成静水压强 实验，本文研制的新型静水压强实验设备，设计了 U 形管压力计和单管压力计两种的测压方式，既可以用 U形管测定出任一点的压力值和真空值，验证静力学 基本方程，也可以通过单管压力计来验证静力学基本 方程可以让学生在实验中选用两种不同的实验方法 验证流体静力学基本方程，通过两种测压方法的实践 应用，让学生学会对比和思考，发现不同实验方法的特 点以及优缺点这一实验方法的改革和创新，在教学 应用实践中，

15、使得学生实验兴趣浓厚，参与感强，动手 实践能力增强，提升了实验教学效果（2）实验教学内容进行了改革创新本文研制的 新型静水压强实验设备具备多个实验功能，丰富了原 有的实验教学内容重新编写了实验指导书，完善了 大纲要求必做实验项目静水压强实验的内容，把设备 新增加的实验方法和功能纳入其中本设备除了可以 完成大纲要求的必做实验项目外，也拓展了新的实验 内容，即测定未知液体的重率或密度的测量、两种测压 管的使用及实验对比新的实验内容既可以作为学生 实验课的创新拓展内容，也可以作为选修的开放式实 验项目（3）实验教学方式进行了改革创新本文自主研 制的新型实验设备具有更加丰富全面的功能和结构基 础，有利的促进了教学方式的转变对于教学大纲内的静水压强实验，根据新编的实 验指导书，引导学生自主设计实验，自主选择实验方 法，让学生有独立思考的空间，有利于学生创新思维 能力和实践动手能力的培养开放式实验教学是当前高校深化实验教学改革、 提高实验教学质量的一项创新性工作（10）。在本文研 制的新型设备基础上，开展了开放式实验项目，充分发 挥学生的主观能动性，培养